JP2008060020A

JP2008060020A - 蓄電制御装置及び蓄電制御方法

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Publication number: JP2008060020A
Application number: JP2006238557A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kawai; 利幸河合
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-09-04
Also published as: WO2008029244A2; US20090319108A1; EP2059988A2; US8180508B2; DE602007008915D1; CN101473509A; JP4341652B2; EP2059988B1; CN101473509B; WO2008029244A3

Abstract

【課題】目標蓄電量が固定された従来の蓄電装置よりもの装置寿命を長くすることが可能な蓄電制御装置を提供する。
【解決手段】車両に搭載される蓄電装置を制御する蓄電制御装置であって、前記蓄電装置の蓄電量の基準値となる目標蓄電量を変化させる制御手段と、車両動作に伴う前記蓄電装置の電圧降下量を算出する算出手段とを有し、前記制御手段は、前記蓄電装置の基準電圧値よりも前記算出手段により算出された前記電圧降下量分だけ低い降下電圧値が、閾値以下の場合には、前記目標蓄電量を増加させることを特徴とする蓄電制御装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、車両に搭載される蓄電装置を制御する蓄電制御装置及び蓄電制御方法に関する。

蓄電装置（電池）は、自動車の駆動電源装置として使用されており、例えば、ハイブリッド自動車では、運転開始時や全加速時に蓄電された電流を放電してモータを駆動し、車輪を回転させている。

この電池は、充放電を繰り返すことにより内部抵抗が上昇して、電池出力が徐々に下降することが知られている。

そこで、従来は、車両の使用時間と電池出力との関係を図示する図５に示すように、車両の最大出力に対応した基準電池出力よりも大きな電池出力が得られるように、電池の目標蓄電量を高め（６０％）に固定しておき、車両寿命に達する前に、電池出力が基準電池出力よりも低くならないように電池を設計している。

一方、蓄電装置を長寿命化させる方法として、蓄電量の変動幅の増加に応じて蓄電装置の寿命が短くなるという法則に着目し、蓄電量の上限値を小さくしたり、蓄電量の下限値を小さくする方法が提案されている（特許文献１参照）。

また、別の従来例として、電池の電圧、電流、温度等に基づき充電メモリ効果の発生を検知した際に、目標蓄電量の値を通常時に設定される５０％から適正蓄電量範囲の上限近傍値へ変更する方法が提案されている（特許文献２参照）。これにより、電池を過充電・過放電することなくメモリ効果を解消でき、電池の劣化を抑制できるとされている。
特開２００３−２９７４３５号公報（段落００４６等）特開２００３−４７１０８号公報（段落００３５等）

しかしながら、電池の劣化速度と目標蓄電量との関係を示す図６に図示するように、目標蓄電量を高くすると、出力電圧の上昇により電池の劣化速度が増速するという問題がある。このため、図５に図示するように、電池の目標蓄電量を６０％に固定すると、電池寿命が短くなり、電池小型化の要請にも反する。

また、特許文献１の方法では蓄電量の上限及び下限を変化させるだけで、目標蓄電量は変わらないため、上記不具合を解消することはできない。

また、特許文献２の方法では充電メモリ効果の発生を検知した際に、目標蓄電量を上昇させているにすぎないため、目標蓄電量を高い値に固定した場合に電池の劣化速度が増速するという課題を解決することはできない。

そこで、本願発明は、目標蓄電量が固定された従来の蓄電装置よりも装置寿命を長くすることが可能な蓄電制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明の蓄電制御装置は、車両に搭載される蓄電装置を制御する蓄電制御装置であって、前記蓄電装置の蓄電量の基準値となる目標蓄電量を変化させる制御手段と、車両動作に伴う前記蓄電装置の電圧降下量を算出する算出手段とを有し、前記制御手段は、前記蓄電装置の基準電圧値よりも前記算出手段により算出された前記電圧降下量分だけ低い降下電圧値が、閾値以下の場合には、前記目標蓄電量を増加させることを特徴とする。

また、本願発明の蓄電制御装置は、別の観点として、車両に搭載される蓄電装置を制御する蓄電制御装置であって、前記蓄電装置の蓄電量の基準値となる目標蓄電量を変化させる制御手段を有し、前記制御手段は、前記蓄電装置の基準電圧値の車両動作に伴う電圧降下量を算出し、前記基準電圧値よりも前記電圧降下量分だけ低い降下電圧値が、閾値以下の場合には、前記目標蓄電量を増加させることを特徴とする。

ここで、前記降下電圧値が前記基準電圧値よりも大きい場合には、前記目標蓄電量を減少させるように制御するとよい。

また、前記基準電圧値における前記蓄電装置の基準出力は、車両の最大出力に対応させるのが好ましい。さらに、前記車両動作に伴う前記蓄電装置の出力を、前記基準出力の７０〜８０％に設定するのが好ましい。

また、前記蓄電装置の電流を検出する電流検出手段と、前記蓄電装置の電圧を検出する電圧検出手段とを設け、前記蓄電装置の放電状態において、前記電流検出手段で検出された電流値と前記電圧検出手段で検出された電圧値とに基づき電流・電圧特性を求め、この求めた電流・電圧特性に基づき、前記基準電圧値を推定するとよい。

また、前記目標蓄電量は、４０〜８０％の範囲内で変化させるのが好ましい。

本願発明の蓄電装置の制御方法は、車両に搭載される蓄電装置の基準値となる目標蓄電量を変化させる蓄電装置の制御方法であって、車両動作に伴う前記蓄電装置の電圧降下量を算出する算出ステップと、前記蓄電装置の基準電圧値よりも前記算出された前記電圧降下量分だけ低い降下電圧値が、閾値以下かどうかを判別する判別ステップと、前記判別ステップにおいて前記降下電圧値が閾値以下である場合には、前記目標蓄電量を増加させる増加ステップとを有することを特徴とする。

本願発明によれば、降下電圧値が閾値以下である場合には、目標蓄電量を増加させることができるため、目標蓄電量を固定していた従来の方式よりも、目標蓄電量を低く設定することが可能となり、蓄電装置の寿命を延ばすことができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の実施例である電池制御装置（蓄電制御装置）の全体構成を示すブロック図である。電池１０（蓄電装置）は、ハイブリッド車のメインバッテリとして組み込まれたリチウムイオン電池であり、複数の電池セルを直列接続することにより、構成される。なお、電池１０としてニッケル金属水素（ＮｉＭＨ）電池など他の電池を使用してもよい。

電池ＥＣＵ１４は、蓄電量が目標蓄電量の付近に維持されるように電池１０を制御している。また、詳細については後述するが、電池ＥＣＵ１４は、電池１０の目標蓄電量を変化させる。

電圧センサ１２は電池１０の各電池セルの電圧を測定しており、電圧センサ１２の測定結果は電池ＥＣＵ１４に出力される。

また、電流センサ１６は、電池１０の充放電電量を計測し、その測定結果は電池ＥＣＵ１４に出力される。電池ＥＣＵ１４は、各電池セルの充放電電流を積算して電池１０の蓄電量を推定する。

メモリ１５には、後述する最大電池出力（基準出力）での電圧降下量を求めるために必要な時間Ｔ_１などが記憶されている。

また、電池ＥＣＵ１４には、不図示の内部タイマーが設けられている。

電池ＥＣＵ１４は、求めた蓄電量をＨＶＥＣＵ３０へ出力し、ＨＶＥＣＵ３０は、電池ＥＣＵ１４から入力される蓄電量に基づいて、負荷３２の動作を制御する。

この負荷３２は、駆動用モータ３６、発電機４２、インバータ３４からなり、電池１０からの電力は、インバータ３４を介して、駆動用モータ３６に供給される。

ＨＶＥＣＵ３０は、アクセル開度などに基づき、駆動用モータ３６の出力トルクを決定し、決定した出力トルクになるようにインバータ３４を制御して、駆動用モータ３６を制御する。また、ＨＶＥＣＵ３０は、エンジンＥＣＵ４０に対してパワーを要求することによって、エンジン出力の発電機４２の駆動力および車輪駆動力についても制御する。

次に、図２を参照しながら、電池１０の目標蓄電量を変化させる理由について説明する。

図２は、電池１０の電圧および電流（以下、「ＩＶ特性」という）と、電池出力との関係を図示したグラフであり、横軸が電流値であり、縦軸が電圧値である。なお、ＩＶ特性は電池セル一個あたりの電流及び電圧を表している。

同図において、Ａは蓄電量を６０％としたときの電池１０のＩＶ特性であり、Ｂは蓄電量を４０％としたときの電池１０のＩＶ特性である。Ｗmaxは車両の最大出力に対応した電池１０の最大電池出力（基準出力）を示す等電力線であり、換言すれば、車両が最大出力を得るために必要な電池１０の出力を表したものである。なお、車両の最大出力は、車種、車両の重量などに応じて予め設定される設計上の値である。

また、Ｖminは電池１０の下限電圧値（閾値）であり、本実施例では３ｖに設定されている。この下限電圧値Ｖminは、車両の車種、重量などに応じて予め設定された設計上の値であり、電池１０の電圧値がこの下限電圧値Ｖmin以下になると、いわゆるノッキングに類似した振動が車両に生じるおそれがある。したがって、電池１０の電圧値は、下限電圧値Ｖminよりも高く設定しなければならない。

上述したように、目標蓄電量の値が高いと電池１０の劣化速度が増速するため、電池寿命を長くするためには、目標蓄電量を低く設定する必要がある。

そこで、電池１０の目標蓄電量を従来よりも低い４０％（従来は６０％）に固定したと仮定する。この場合、電池１０は充放電を繰り返すことにより次第に劣化して、内部抵抗が上昇するため、ＩＶ特性は時間ととともにＢ_１→Ｂ_２→Ｂ_３のように傾きが変化する。なお、目標蓄電量は、電池１０の電流が０（Ａ）であるときの電圧値によって決定されるため、ＩＶ特性Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３の０（Ａ）における各電圧値は同じである。

このため、ＩＶ特性Ｂ_３と最大電池出力Ｗmaxとの交点における電圧値Ｖ_２（基準電圧値）は、下限電圧値Ｖmin以下になってしまう。

ここで、目標蓄電量が４０〜８０％の領域において、ＩＶ特性は、目標蓄電量の増加に応じて電流０（Ａ）に対する角度θが大きくなり、電流０（Ａ）における電圧値が大きくなる傾向を有する。その一例が、ＩＶ特性Ａ及びＢであり、ＩＶ特性Ａのほうが、IＶ特性Ｂよりも電流０（Ａ）における電圧値が高く、かつ、角度θが大きいことがわかる。したがって、下限電圧値Ｖmin以下に低下した基準電圧値Ｖ_２を下限電圧値Ｖminよりも高くする方法として、目標蓄電量を増加させる方法が有効である。

他方、図２に示すように、ＩＶ特性がＡの場合、つまり、目標蓄電量が６０％の場合には、最大電池出力Ｗmaxにおける基準電圧値Ｖ_２と下限電圧値Ｖminとの間に余裕があるため、目標蓄電量を減少させることができる。また、背景技術でも説明したように、目標蓄電量を減少させることにより、電池１０の劣化速度を遅くすることができる。したがって、目標蓄電量を減少させることにより、電池寿命を延ばすことが可能となり、電池１０を小型化して、ひいてはハイブリッド車両を小型化することもできる。

これが目標蓄電量を変化させる理由であり、具体的には、下記のように目標蓄電量を変化させている。

図３（a）は、図２のＩＶ特性を部分的に図示したものであり、図３（ｂ）は時間とともに電池１０の電圧が降下する様子を図示したＴ―ΔＶ図である。

上述では、最大電池出力Ｗmaxに対応した基準電圧値Ｖ_２と下限電圧値Ｖminとの大小比較により目標蓄電量を変化させると説明したが、実際の車両では、電圧降下が生じる。すなわち、図３(a)に図示するように、例えば車両のアクセルを最大に踏み込むと、電池１０は、放電を開始して、その出力がＷ_２→Ｗ_１→Ｗmaxと変化する。そして、最大電池出力Ｗmaxを所定時間Ｔ_１だけ維持した場合に、電池１０の電圧は、ΔＶ_１だけ電圧降下して、基準電圧値Ｖ_２から降下電圧値Ｖ_１に変化する。したがって、降下電圧値Ｖ_１が下限電圧値Ｖminよりも大きくなるように、目標蓄電量を変化させなければならない。なお、所定時間Ｔ_１は、車両の種類、重量などに応じて予め設定される設計上の値である。

そこで、ΔＶ_１を実測してＶ_２−ΔＶ_１より降下電圧値Ｖ_１を求める必要がある。

しかしながら、実際の車両では、電池出力が最大電池出力Ｗmaxに達するのは稀であるため（換言すれば、アクセルを最大に踏み込むことは稀であるため）、電圧降下量ΔＶ_１を実測するのは困難である。したがって、電圧降下量ΔＶ_１を実測する方法では、目標蓄電量を効果的に変化させることはできない。

そこで、本実施例では、最大電池出力Ｗmaxよりも低い電池出力Ｗ_１での電圧降下量を求めることにより、基準電圧値Ｖ_２の電圧降下量を推定している。なお、この電池出力Ｗ_１は、請求項４に記載する「前記車両動作に伴う前記蓄電装置の出力」に対応している。

例えば、車両を動作させて、電池出力Ｗ_１´（Ｗ_１´＞Ｗ_１）の出力状態をＴ_２時間継続した場合に、電池１０の電圧値は、Ｖ_ａ０→Ｖ_ａ１→Ｖ_ａ２のように電圧降下する。なお、電池ＥＣＵ１４は、電圧降下が生じた場合でも、電池出力を一定に保つように電池１０を制御するため、電圧値Ｖ_ａ０、Ｖ_ａ１、Ｖ_ａ２は、電池出力Ｗ_１´上にプロットされる。

この場合、電池ＥＣＵ１４は、Ｖ_３−Ｖ_ａ２＝ΔＶ_２から電圧降下量ΔＶ_２を算出し、さらにΔＶ_２・Ｔ_１／Ｔ_２＝ΔＶ_１から電圧降下量ΔＶ_１を算出し、Ｖ_２−ΔＶ_１から降下電圧値Ｖ_１を推定する。

ここで、電池出力Ｗ_１は、最大電池出力Ｗmaxの７０〜８０％の範囲に設定するのが好ましい。電池出力Ｗ_１が最大電池出力Ｗmaxの７０％よりも低い場合には、上述した電池出力Ｗ_１での電圧降下量が、最大電池出力Ｗmaxでの電圧降下量ΔＶ_１よりも小さくなるため、降下電圧値Ｖ_１の推定精度が低くなるからである。また、電池出力Ｗ_１が最大電池出力Ｗmaxの８０％よりも高い場合には、最大電池出力Ｗmaxの８０％を越える高出力状態で車両を動かす場面が少ないため、目標蓄電量を効果的に変化させることができないからである。

推定された降下電圧値Ｖ_１が、下限電圧値Ｖminよりも高い場合には目標蓄電量を下げることができ、下限電圧値Ｖmin以下の場合には目標蓄電量を上げなければならない。このように、目標蓄電量を最大電池出力Ｗmaxが得られるように変化させることにより、電池１０の寿命を延ばすことが可能となり、電池１０を小型化することができる。

次に、電池１０の目標蓄電量を変化させる方法を図４のフローチャートを用いて説明する。電池ＥＣＵ１４は、電池１０の目標蓄電量を以下のように変更する。

電圧センサ１２および電流センサ１６から出力された（ステップｓ１０１）電池１０の電圧値および電流値に基づき、電池１０が放電中であるか否かを判別する（ステップＳ１０２）。なお、これらの電圧値および電流値はそれぞれ、所定時間ごとに電圧センサ１２および電流センサ１６から出力され、電圧値が下降し、かつ、電流が上昇している場合には、電池１０が放電中であると判別する。

ステップＳ１０２において電池１０が放電中であると判別した場合には、電池出力Ｗを算出する（ステップＳ１０３）。

ここで、電池出力Ｗは、電圧センサ１２で検出された電圧値×電流センサ１６で検出された電流値×電池１０を構成する電池セルの個数から算出する。

次に、算出した電池出力Ｗが電池出力Ｗ_１よりも大きいか否かを判別し（ステップＳ１０４）、大きい場合にはステップＳ１０５に進み、小さい場合には、ステップＳ１０１に戻る。

ステップＳ１０５では、電圧センサ１２および電流センサ１６から出力された電圧値および電流値に基づきＩＶ特性を求め、求めたＩＶ特性を最大電池出力Ｗmaxが表示された図２の線図内に外挿する。そして、ＩＶ特性と最大電池出力Ｗmaxとの交点から基準電圧値Ｖ_２を求めるとともに、基準電圧値Ｖ_２が求まった時点より、数秒〜数十秒のデータ群より最小二乗法等を使ってＩＶ特性の切辺である電圧値Ｖ_３を求め、求めた基準電圧値Ｖ_２及び電圧値Ｖ_３をメモリ１５に記憶する。なお、放電状態においてＩＶ特性はリニアに変化するため、少なくとも二つの電圧値及び電流値がわかればＩＶ特性を描くことができる。

ステップＳ１０４において、電池出力Ｗが電池出力Ｗ_１を超えた場合には、内部タイマーを直ちに作動させる（ステップＳ１０６）。

そして、電池出力Ｗが電池出力Ｗ_１以下になった場合には（ステップＳ１０７）、内部タイマーを直ちに停止して（ステップＳ１０８）、経過時間Ｔ_２をメモリ１５に記憶する。また、カウント動作停止後に電圧センサ１２から出力された電池１０の電圧値Ｖ_ａ２と、メモリ１５から読み出した電圧値Ｖ_３とに基づき、降下電圧量ΔＶ_２を算出し（Ｖ_３−Ｖ_ａ２＝ΔＶ_２）、これをメモリ１５に記憶する（ステップＳ１０８）。

次に、メモリ１５からΔＶ_２、Ｔ_１、Ｔ_２を読み出し、ΔＶ_２・Ｔ_１／Ｔ_２＝ΔＶ_１からΔＶ_１を算出するとともに、メモリ１５から基準電圧値Ｖ_２を読み出し、Ｖ_２−ΔＶ_１＝Ｖ_１から降下電圧値Ｖ_１を推定する（ステップＳ１０９）。

そして、この降下電圧値Ｖ_１が、下限電圧値Ｖminよりも高いか否かを判別し（ステップＳ１１０）、下限電圧値Ｖminよりも高い場合には目標蓄電量を１％減少させ（ステップＳ１１１）、下限電圧値Ｖmin以下の場合には目標蓄電量を１％増加させる（ステップＳ１１２）。

ここで、電池１０は、目標蓄電量の上限値が８０％以下となるように、つまり、車両寿命の前に目標蓄電量が８０％に達しないように設計するのが好ましい。

また、目標蓄電量の下限値は、４０％に設定するのが好ましい。目標蓄電量が４０％よりも低いと、電池１０の使用開始時に降下電圧値Ｖ_１≦下限電圧値Ｖminとなるおそれがあるからである。

目標蓄電量を変更する制御は、車両の動作状態において継続的に行ってもよいし、例えば１年に４回のように定期的に行っても良い。

また、当初の目標蓄電量は、降下電圧値Ｖ_１＞下限電圧値Ｖminなる条件を満足すればどのような値に設定してもよい。例えば、当初の目標蓄電量を下限値に設定（４０％）して、目標蓄電量を増加する制御のみを行ってもよいし、これとは反対に当初の目標蓄電量を高めに設定（６０％）しておき、一旦目標蓄電量を減少させた後に増加させてもよい。

上述の実施例では、車両の最大出力に対応した最大電池出力Ｗmaxを基準としたが、例えば、車両の最大出力よりも出力の大きい車両出力に対応した電池出力を基準としてもよい。また、下限電圧値Ｖminを実施例の電圧よりも高く設定（つまり、３Ｖよりも高く設定）してもよい。

さらに、蓄電装置として電池を使用したが、電気二重層キャパシタを用いることもできる。

電池制御装置の全体構成を示すブロック図である。電池１０の電圧および電流（以下、「ＩＶ特性」という）と、電池出力との関係を図示したグラフである。（a）は、図２のＩＶ特性を部分的に図示したものであり、（ｂ）は時間と電圧降下量との関係を図示したＴ―ΔＶ図である。電池の目標蓄電量を変化させる手順を示したフローチャートである。車両の使用時間と電池出力との関係を示す関係図である（従来例）。電池の劣化速度と目標蓄電量との関係を示す関係図である。

符号の説明

１０電池
１２電圧センサ
１４電池ＥＣＵ
１５メモリ
１６電流センサ
３０ＨＶＥＣＵ
３２負荷
３４インバータ
３６駆動用モータ
４０エンジンＥＣＵ
４２発電機

Claims

車両に搭載される蓄電装置を制御する蓄電制御装置であって、
前記蓄電装置の蓄電量の基準値となる目標蓄電量を変化させる制御手段と、
車両動作に伴う前記蓄電装置の電圧降下量を算出する算出手段とを有し、
前記制御手段は、前記蓄電装置の基準電圧値よりも前記算出手段により算出された前記電圧降下量分だけ低い降下電圧値が、閾値以下の場合には、前記目標蓄電量を増加させることを特徴とする蓄電制御装置。
前記制御手段は、前記降下電圧値が前記基準電圧値よりも大きい場合には、前記目標蓄電量を減少させることを特徴とする請求項１に記載の蓄電制御装置。
前記基準電圧値における前記蓄電装置の基準出力は、車両の最大出力に対応していることを特徴とする請求項１又は２に記載の蓄電制御装置。
前記車両動作に伴う前記蓄電装置の出力は、前記基準出力の７０〜８０％であることを特徴とする請求項３に記載の蓄電制御装置。
前記蓄電装置の電流を検出する電流検出手段と、
前記蓄電装置の電圧を検出する電圧検出手段とを有し、
前記制御手段は、前記蓄電装置の放電状態において、前記電流検出手段で検出された電流値と前記電圧検出手段で検出された電圧値とに基づき電流・電圧特性を求め、この求めた電流・電圧特性に基づき、前記基準電圧値を推定することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一つに記載の蓄電制御装置。
前記制御手段は、前記目標蓄電量を４０〜８０％の範囲内で変化させることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか一つに記載の蓄電制御装置。
車両に搭載される蓄電装置の基準値となる目標蓄電量を変化させる蓄電装置の制御方法であって、
車両動作に伴う前記蓄電装置の電圧降下量を算出する算出ステップと、
前記蓄電装置の基準電圧値よりも前記算出された前記電圧降下量分だけ低い降下電圧値が、閾値以下かどうかを判別する判別ステップと、
前記判別ステップにおいて前記降下電圧値が閾値以下である場合には、
前記目標蓄電量を増加させる増加ステップとを有することを特徴とする蓄電制御方法。